LASER: 7 wichtige Fakten, die Sie kennen sollten

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Was ist ein Laser?

LASER steht für “Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission“Ist ein Instrument, bei dem Licht durch den Prozess der optischen Verstärkung durch stimulierte Emission elektromagnetischer Strahlung emittiert wird. Der erste Laser wurde 1960 von Theodore Maiman erfunden und entworfen. Das Design dieses Instruments wurde von den theoretischen Arbeiten von Charles Hard Townes und Arthur Leonard Schawlow beeinflusst. Unterschied ist auch konstant. Dieses Gerät wird für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Medizin, Forschung, Fertigung, Militär usw. eingesetzt.

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Bildquelle: 彭家杰., Lasermodul, CC BY-SA 3.0

Was ist stimulierte Emission?

Ein Elektron, das einen niedrigeren Energiezustand einnimmt, absorbiert etwas externe Energie, die in Form von Licht (Photonen) oder Wärme (Phononen) vorhanden ist, um einen höheren Energiezustand einzunehmen, und dieser elektronische Übergang von einem Zustand in einen anderen ist nur möglich, wenn die Energien vorhanden sind des Photons oder Phonons ist gleich dem Energiediff zwischen diesen 2 Zuständen. Daher können diese Elektronen oder Atome nur eine bestimmte Lichtfrequenz für den Übergang absorbieren.

Die Elektronen können nicht für immer im höheren angeregten Zustand bleiben. Sie neigen dazu, in ihren Grundzustand zurückzukehren. Diese Elektronen werden manchmal von außen beeinflusst, um von einem höheren angeregten Zustand in einen niedrigeren angeregten Zustand oder Grundzustand zu fallen. Das nach dem High-Low-Übergang emittierte Photon entspricht hinsichtlich Richtung, Phase und Wellenlänge dem extern zugeführten Photon. Dieser Prozess der Freisetzung von Photonen wird als stimulierte Emission bezeichnet und bildet die Grundlage für die Laserarbeit.

Für die stimulierte Emission müssen zunächst die Elektronen oder die Atome mit Hilfe eines Verstärkungsmediums angeregt werden, da in einem normalen Medium die Anzahl der Atome im niedrigeren Energiezustand größer ist als in den höheren Energiezuständen thermisches Gleichgewicht Daher übersteigt die Absorptionsrate die Rate der stimulierten Emission in normalen Medien.

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Demonstration der stimulierten Emission, Bildquelle: V1adis1av Beiträge), Stimulierte Emission, CC BY-SA 4.0

Was ist ein Maser?

MASER oder „Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission„ist ein Gerät, bei dem durch Verstärkung im stimulierten Emissionsmodus eine kohärente elektromagnetische Mikrowellenemission erzeugt wird. Maser wurde 1953 an der Columbia University von den Wissenschaftlern James P. Gordon, Charles H. Townes und Herbert J. Zeiger erfunden. Maser finden ihre Anwendung in Geräten wie Atomuhren und Radioteleskopen. Maser können auch elektromagnetische Strahlung im Radio- und Infrarotbereich erzeugen.

Wasserstoff Maser
Eine Wasserstoff-Hochfrequenzentladung in einem Wasserstoff-Maser. Bildquelle: Courtesy NASA/JPL-Caltech
Wasserstoff Maser

Was ist der Unterschied zwischen einem Laser und einem Maser?

Laser gegen Maser

LASERMASER
Dieses Instrument erzeugt eine kohärente elektromagnetische Emission über einen weiten Frequenzbereich (hauptsächlich die sichtbare, UV- und IR-Frequenz).Maser erzeugt eine kohärente elektromagnetische Emission mit einer Frequenz im Mikrowellen- und Funkfrequenzbereich.
Dieses Instrument wird für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Medizin, Forschung, Herstellung, Militär usw. verwendet.Dieses Instrument wird hauptsächlich für die Mikrowellenkommunikation und in mehreren astronomischen Instrumenten verwendet.
Dieses Instrument arbeitet üblicherweise mit der Anregung von Helium-, Neon-, Kohlendioxidatomen usw.Dieses Instrument arbeitet üblicherweise mit der Anregung von Ammoniak-, Wasserstoffatomen usw.

Was ist ein Verstärkungsmedium?

Bei Lasern ist das Verstärkungsmedium oder das optische Verstärkungsmedium ein Material, das die Leistung des erzeugten Lichtstrahls verstärkt. Das Verstärkungsmedium kompensiert den Leistungsverlust aufgrund des Resonators. Das Verstärkungsmedium verstärkt das Licht, indem es Energie durch den Prozess des elektrischen Pumpens (oder manchmal des optischen Pumpens) aufnimmt. Das Verstärkungsmedium kann von verschiedenen Typen sein, wie beispielsweise Nd: YAG (Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat) YAG-Laser) Medium, Yb: YAG-Medium (Ytterbium-dotiertes YAG), Galliumarsenid, Galliumnitrid oder Indiumgalliumarsenid-Halbleitermedium, Keramikverstärkungsmedium, Lichtleitermedium usw.

Wie funktioniert ein Laser?

Im Allgemeinen enthalten diese Instrumente eine Verstärkung oder ein Verstärkungsmedium, einen Pumpmechanismus und ein System zur Bereitstellung einer optischen Rückkopplung. Laser arbeiten nach dem Prinzip der photoelektrischen Absorption und der stimulierten Emission. Diese Instrumente haben ein Verstärkungsmedium, das ein festes, flüssiges oder gasförmiges Material sein kann. Dieses Medium empfängt die äußere Energie und lenkt sie auf die Atome oder Elektronen, um sie in ihre höheren Energiezustände anzuregen. Dieses Material kann hinsichtlich Form und Größe, Konzentration und Reinheit eingestellt werden.

Die Populationsinversion bezieht sich auf den Zustand, in dem die Anzahl der in einem höher angeregten Zustand vorhandenen Partikel die Anzahl der im niedriger angeregten Zustand vorhandenen Partikel überschritten hat. In diesem Zustand überschreiten die stimulierten Photonenemissionsraten die vom Elektron absorbierte Energierate. Daher wird der in Form von Photonen emittierte Lichtstrahl verstärkt.

In der Vorrichtung befindet sich ein optischer Hohlraum. Es ist hauptsächlich ein Paar von Spiegeln (auch Ausgangskoppler genannt), die auf jeder Seite des Verstärkungsmediums vorhanden sind, damit der Lichtstrahl jedes Mal, wenn er auf den Spiegel trifft, durch das zu verstärkende Medium hin und her springt, und einer der beiden Spiegel ist teilweise transparent, so dass etwas Licht durch das Licht entweichen kann. Wenn die vorhandenen Spiegel gekrümmt sind, tritt das Licht in Form eines schmalen Strahls aus. Wenn die Spiegel flach sind, wird der Lichtstrahl ausgebreitet.

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Komponentenbeschreibungen. : 1. Das Gainmedium. 2. Die Pumpenergie. 3. Der hohe Reflektor. 4. O / P-Koppler. 5. der Lichtstrahl.
Bildquelle. Benutzer: Tatoute, Laser, CC BY-SA 3.0

Was sind die beiden Betriebsarten eines Lasers?

Kohärenter Lichtstrahl kann entweder im gepulsten Modus oder im kontinuierlichen Modus erzeugt werden.

Pulsmodusbetrieb eines Lasers:

Im gepulsten Modus folgt die optische Leistung dem Muster eines Impulses und hat eine Wiederholungsrate, die auf einer bestimmten Zeitdauer basiert. Der gepulste Modus wird zum Erzeugen von Hochleistungsimpulsen durch Verringern der Impulsrate verwendet. Der Prozess der Ablation und des Bohrens, der hohe Leistungsabgaben erforderte, verwendete häufig einen gepulsten Modus bei Spitzenimpulsleistung. Prozesse, die die Anwendung nichtlinearer optischer Effekte erfordern, verwenden den gepulsten Modus, der auf der maximalen Pulsleistung oder Energie beruht. Manchmal kann keine Verstärkung im kontinuierlichen Modus erreicht werden, daher wird der gepulste Modus verwendet.

Dauerbetrieb eines Lasers:

Im kontinuierlichen Modus bleibt die Ausgangsleistung über die Zeit konstant. In diesem Modus ist die Frequenzänderung vernachlässigbar und beeinflusst die Laseranwendung nicht. Dieser Modus erfordert eine stetige Pumpquelle, damit die Populationsinversion des Verstärkungsmediums erreicht werden kann. Das kontinuierliche Pumpen der Laser mit hoher Leistung kann zu einer Beschädigung des Lasers durch übermäßige Erwärmung führen. Aus diesem Grund hat der kontinuierliche Modus einen begrenzten Ausgangspegel. Dieser Modus wird hauptsächlich für experimentelle und medizinische Zwecke verwendet.

Was sind die Anwendungen von Lasern?

Anwendungen von Lasern

Militärische Anwendungen von Laser

Mehrere Arten von Lasern wie Kohlendioxidlaser, die Infrarotlicht emittieren und emittieren, werden für verschiedene militärische Anwendungen verwendet. Die Erdatmosphäre ist für Infrarotlichtstrahlen vergleichsweise transparenter. Aus diesem Grund erweisen sich solche Laser bei der militärischen Entfernungsmessung mit Methoden wie LIDAR (Light Detection and Ranging) als effizient. Der Laserstrahl gibt Auskunft über die Entfernungen des Beobachters und die Zielposition.

Medizinische Anwendungen von Laser

IR-Laser , Excimer-Laser für den medizinischen Bereich.

Industrielle Anwendungen (Schneiden und Schweißen) von Lasern

Laser bieten Hochleistungsstrahlen, die für verschiedene industrielle Anwendungen wie Schweißverfahren, Ätzverfahren, Strahl- und Bohrverfahren, Plattierungsvorbereitung und laserbasiertes Schneiden für Hartmetall- oder Glasschneidverfahren usw. wirksam sein können. Heutzutage werden diese Instrumente auch für verwendet Oberflächenreinigung, bei der Verunreinigungen und Verunreinigungen von der Oberfläche eines Materials entfernt werden. Der CO2 werden zum Gravieren auf Materialien verwendet und diese Geräte werden auch in den selektiven Herstellungsprozessen von SLS oder selektivem Lasersintern verwendet.

Forschungsanträge von Laser

Das SILEX-Verfahren (Trennung von Isotopen durch Laseranregung), das zur Anreicherung von Uran verwendet wird, umfasst auch einen IR-Laser. Einige andere wichtige Anwendungen wie die Herstellung von Mikrofluidikvorrichtungen umfassen auch die Verwendung dieser Instrumente, da das übliche Kunststoff-Poly (methylmethacrylat) ein gutes Absorptionsmittel ist von IR-Wellen.

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